KR100656385B1 - Real-time sensor line protocol - Google Patents

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KR100656385B1
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김재호
이상신
안일엽
원광호
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Abstract

A communication method of a real-time wireless sensor network having a linear structure is provided to supply a protocol for the sensor network having very low network delay through synchronization between nodes and supply a low-power protocol for the sensor network by minimizing an idle listening time of an active section, thereby reducing power consumption of each node of the sensor network and reliably transmitting data with low transmission delay. In a method for configuring a network of a sensor network for collecting sensing data from plural sensors, the method comprises the following steps of: linearly arranging communication paths of each node so that all sensor nodes except synch nodes and terminal nodes can have one predecessor and one successor; and making nodes, included in the sensor network, perform time synchronization of the entire networks by performing time synchronization of themselves based on operation sections of their predecessors.

Description

선형 구조를 가지는 실시간 무선 센서 네트워크 통신방법{Real-time Sensor Line Protocol}Real-time wireless sensor network communication method with linear structure {Real-time Sensor Line Protocol}

도 1은 본 발명에 따르는 분산 TDMA 구조를 도시한 개념도.1 is a conceptual diagram illustrating a distributed TDMA structure according to the present invention.

도 2는 본 발명에 따르는 시간 동기 타이밍도.2 is a timing synchronization timing diagram according to the present invention;

도 3은 본 발명에 따라 시간 동기된 포워딩 메커니즘을 도시한 개념도.3 is a conceptual diagram illustrating a time synchronized forwarding mechanism in accordance with the present invention.

도 4는 본 발명에 따른 가상 통신 선로 구성 처리를 설명하기 위한 도면.4 is a diagram for explaining a virtual communication line configuration process according to the present invention.

도 5는 본 발명에 따른 가상 통신 선로 재구성 처리를 설명하기 위한 도면.5 is a diagram for explaining a virtual communication line reconfiguration process according to the present invention.

도 6은 본 발명에 따르는 데이터 패킷 구조를 도시한 모식도.6 is a schematic diagram showing a data packet structure according to the present invention;

도 7은 본 발명에 따른 우선순위 처리를 위한 버퍼 구조를 도시한 도면.7 illustrates a buffer structure for priority processing according to the present invention.

본 발명은 센서 네트워크에 관한 것으로서, 구체적으로는 센서 노드 간의 통신 프로토콜에 관한 것이다.The present invention relates to sensor networks, and more particularly to a communication protocol between sensor nodes.

센서 네트워크는 유비쿼터스 컴퓨팅 기술을 실현하기 위한 핵심 기술적인 인프라이며, 유선 또는 무선으로 연결되어 동작될 수 있다. 센서 네트워크에서는 각 노드가 제한된 용량의 배터리를 사용하므로 최소의 에너지를 사용하여 센싱 데이터 를 전달하는 것이 최우선적인 목적이다. 또한 센서 네트워크를 실시간 응급 서비스에 응용하기 위해서는 대규모 센서 네트워크에서는 네트워크 지연이 최소화 되어야 한다. 따라서 실시간 모니터링이 필요한 센서 네트워크는 배터리 소모를 최소화 하면서 네트워크 지원이 매우 작은 프로토콜이 요구된다. The sensor network is a core technical infrastructure for realizing ubiquitous computing technology and can be operated by wired or wireless connection. In a sensor network, each node uses a limited amount of batteries, so sensing data with the least amount of energy is a top priority. In addition, in order to apply the sensor network to the real-time emergency service, network delay should be minimized in the large sensor network. Therefore, sensor networks that require real-time monitoring require protocols with very low network support while minimizing battery drain.

무선 센서 네트워크의 노드는 센싱, 컴퓨팅, 무선통신 등이 제한된 배터리를 이용하여 동작된다. 기존의 MANET 및 IEEE802.11과 같은 전통적인 MAC 프로토콜을 센서 네트워크에 적용할 경우, 무선 네트워크에서 에너지를 낭비하는 패킷지연(packet collision), 오버히어링(overhearing), 제어패킷 오버헤드(control packet overhead), 유휴대기(idle listening)등의 문제점이 발생하게 된다. 특히 idle listening은 통신 기능이 요구되지 않는 기간에도 센서노드가 항상 활성(Active) 상태로 동작함에 따라서 많은 에너지 소모를 유발하게 된다. 이러한 단점을 보완하기 위하여 센서네트워크에서 사용되는 MAC 프로토콜은 평상시에 Sleep 상태로 동작하여 전력소모를 최소화 하다가 주기적으로 깨어나 Active 상태로 동작하는 방법을 통하여 에너지를 절감한다. 이러한 방법을 이용하는 센서 MAC 프로토콜은 다음과 같다.Nodes of a wireless sensor network operate using batteries with limited sensing, computing, and wireless communications. When applying traditional MAC protocols such as MANET and IEEE802.11 to the sensor network, packet collision, overhearing, control packet overhead, which wastes energy in the wireless network, Problems such as idle listening will occur. In particular, idle listening causes a lot of energy consumption as the sensor node always operates in the active state even when communication function is not required. In order to make up for this drawback, the MAC protocol used in the sensor network saves energy through the method of waking up periodically and operating in the active state while minimizing power consumption by operating in the sleep state. The sensor MAC protocol using this method is as follows.

< Sensor-MAC (S-MAC) ><Sensor-MAC (S-MAC)>

S-MAC 프로토콜은 무선 네트워크에서 가장 큰 에너지 낭비요소인 idle listening을 줄이기 위해 낮은 듀티 사이클(듀티 사이클)을 사용하여 센서 노드에게 주기적으로 휴면 모드(sleeping mode)로 전환하게 하는 것이다. 이런 동작을 통해서 센서 네트워크의 주된 목적인 에너지를 절감하고, 경쟁 기반의 스케쥴링을 사 용하여 우수한 확장성 및 패킷의 충돌을 회피 할 수 있다. 그러나 idle listening으로 인하여 네트워크 지연이 커지는 단점이 있다. The S-MAC protocol allows the sensor node to periodically go to sleep mode using a low duty cycle (duty cycle) to reduce idle listening, the biggest energy waster in wireless networks. This operation saves energy, the main purpose of the sensor network, and avoids contention and packet collisions using contention-based scheduling. However, there is a disadvantage in that network delay is increased due to idle listening.

< Timeout-MAC(T-MAC) ><Timeout-MAC (T-MAC)>

T-MAC은 S-MAC과 같은 경쟁 기반의 무선 센서 네트워크를 위한 MAC 프로토콜이다. S-MAC에서 제안된 active/sleep 듀티 사이클을 적용하여 에너지를 절감한다. 그러나 S-MAC에서 제안된 듀티 사이클은 고정된 형태로 적용됨에 따라 트래픽 환경 변화에 대해서 에너지 절감 효율성이 감소하는 특성을 가져온다. 이러한 단점을 보완하기 위하여 T-MAC에서는 활성구간(Active period) 기간을 데이터의 트래픽에 따라 유동적으로 동작할 수 있도록 하였다. 이러한 유동적인 듀티 사이클을 통해서 T-MAC은 Idle listening을 더욱 줄일 수 있어서 트래픽 환경 변화에 대한 에너지 절감 효율성을 높일 수 있다. 하지만 S-MAC과 마찬가지로 idle listening으로 인한 network latency가 커지는 문제는 여전히 존재한다.T-MAC is a MAC protocol for contention-based wireless sensor networks such as S-MAC. Energy saving is achieved by applying the active / sleep duty cycle proposed in S-MAC. However, the duty cycle proposed by S-MAC has a characteristic that the energy saving efficiency decreases with the change of traffic environment as it is applied in a fixed form. To compensate for these drawbacks, T-MAC allows the active period to operate flexibly according to the data traffic. This flexible duty cycle allows the T-MAC to further reduce idle listening, increasing energy savings in response to changes in traffic conditions. However, as with S-MAC, there is still a problem of increased network latency due to idle listening.

< B-MAC > <B-MAC>

B-MAC은 기본적으로 CSMA에 기반한 MAC 프로토콜이다. 이 프로토콜은 idle listening을 최소화하기 위하여 저전력 대기(LPL : Low-power listening)를 이용한다. LPL을 이용하여 주기적으로 매우 짧은 시간동안 listening을 수행하고 데이터를 보내는 노드는 이 주기보다 긴 프리앰플(Preamble)을 가지는 패킷(packet)을 보낸다. 노드는 LPL 기간에 프리앰블을 인지하게 되면 이후에 들어오는 데이터를 받게 된다. B-MAC 역시 에너지 소모가 발생한다.B-MAC is basically a MAC protocol based on CSMA. This protocol uses low-power listening (LPL) to minimize idle listening. A node that performs listening for a very short time periodically using LPL and sends data sends a packet having a preamble longer than this period. When the node recognizes the preamble during the LPL period, the node receives subsequent data. B-MAC also consumes energy.

위 종래의 MAC 프로토콜의 단점을 정리하면 다음과 같다.The shortcomings of the conventional MAC protocol are as follows.

< 에너지 효율 측면 >Energy Efficiency Aspects

고정적인 듀티 사이클을 사용하는 S-MAC은 기존의 전통적인 무선 MAC 프로토콜보다 에너지 효율성 측면에서는 좋은 결과를 가져오지만, 센서 네트워크에서 노드가 센싱하는 데이터의 양이 극히 적은 경우 불필요한 idle listening을 수행하므로, 에너지 효율성이 매우 떨어지게 된다. S-MAC, which uses a fixed duty cycle, has better energy efficiency than traditional wireless MAC protocol, but performs unnecessary idle listening when the amount of data sensed by the node in the sensor network is extremely small. It is very inefficient.

S-MAC에서의 문제점을 보완하기 위해 T-MAC은 유동적인 듀티 사이클을 사용하므로 인해 네트워크의 트래픽 환경이 적은 경우에 타이머를 동작하여 불필요한 idle listening 시간을 줄이게 하여 에너지를 절감하는 방안을 채택하였으나, 별도의 타이머를 설정하게 하므로 인해 그만큼의 시간 동안 에너지를 소모하게 된다. 그러나, 네트워크의 트래픽이 매우 많은 환경에 대해서는 듀티 사이클 동작이 불가능하게 되어 효율적인 에너지 절감 효과를 얻기 어렵다. To compensate for the problems in S-MAC, T-MAC adopts a flexible duty cycle, which saves energy by reducing the unnecessary idle listening time by operating a timer when the network traffic environment is low. By setting a separate timer, it consumes energy for that time. However, the duty cycle operation is impossible in an environment where the traffic of the network is very high, so that an efficient energy saving effect is hardly obtained.

S-MAC이나 T-MAC, B-MAC은 기본적으로 데이터를 보내는데 에너지를 소모하는 것 외에 부가적으로 제어 패킷 또는 긴 프리앰블을 보내거나 받는 데 에너지를 소모하게 되며 또한 트래픽 환경에 따라 다르긴 하지만 특정 기간 동안 idle listening을 통한 에너지 낭비가 발생하게 된다. 또한 S-MAC과 T-MAC은 CSMA-CA방식을 사용함에 따른 부과적인 에너지가 소모가 따르고 B-MAC은 Overhearing으로 인한 에너지 소모가 추가적으로 발생하게 된다.S-MAC, T-MAC, and B-MAC not only consume energy to send data but also consume energy to send and receive control packets or long preambles, and also depending on the traffic environment. This is a waste of energy through idle listening. In addition, S-MAC and T-MAC consume additional energy by using CSMA-CA method, and B-MAC consumes additional energy due to overhearing.

< 네트워크 지연 측면><Network Latency Aspects>

기존의 센서네트워크용 MAC 프로토콜은 네트워크 지연에 있어서 매우 커다란 단점을 지니고 있다. 센서네트워크용 프로토콜인 S-MAC, T-MAC, B-MAC은 에너지 효 율성을 높이기 위하여 듀티 사이클을 낮추면 네트워크 지연은 그에 비례하여 증가하게 된다. 즉, 기존의 프로토콜은 에너지 소모와 네트워크 지연에 있어서 서로 반비례하는 관계를 유지하게 된다. 이는 배터리 등과 같은 제한적인 전원을 사용하면서 실시간 응용이 필요한 경우 문제를 유발하게 된다. 특히 센서네트워크의 망의 크기가 클 경우에 이러한 지연은 매우 커다란 영향을 유발한다. The existing MAC protocol for sensor network has a very big disadvantage in network delay. S-MAC, T-MAC, and B-MAC protocols for sensor networks reduce the duty cycle to increase energy efficiency, and network delay increases proportionally. In other words, existing protocols maintain an inverse relationship with each other in terms of energy consumption and network delay. This causes problems when real-time applications are needed with limited power sources such as batteries. Especially when the network size of the sensor network is large, this delay causes a very big effect.

< 높은 우선순위 패킷 처리 문제 ><High Priority Packet Processing Problem>

무선센서네트워크를 응급 상황 모니터링에 사용하기 위해서는 감지된 데이터를 높은 우선순위로써 전송하는 것을 요구한다. 즉, 전송하고자 하는 데이터가 긴급을 요하는 데이터일 때 긴급을 요하지 않는 데이터보다 우선적으로 전송되어야 하며, 이처럼 우선순위가 높은 데이터를 가지고 있는 노드에게 우선적으로 전송 기회가 주어져야 한다. 그러나 전술한 종래의 통신 방식은 이러한 전송에 대한 우선순위를 부여하는 방법을 제시하고 있지 않다.The use of wireless sensor networks for emergency monitoring requires the transmission of detected data at high priority. That is, when the data to be transmitted is urgent data, it should be transmitted preferentially to the non-urgent data, and a node having a high priority data should be given a transmission opportunity. However, the above-described conventional communication scheme does not suggest a method for giving priority to such transmission.

< 신뢰성 측면 > <Reliability Aspects>

신뢰성은 센서 네트워크 기술이 실용화 단계로 진행되면서 매우 중요한 요구사항이 되었다. 특히 센서네트워크 기술이 응급상황을 모니터링 하는데 응용될 경우 신뢰성은 가장 중요한 이슈가 된다. 기존의 센서네트워크 프로토콜은 신뢰성 면에서 데이터의 전송 실패 문제만을 고려하였다. 그러나 신뢰성을 확보하기 위해서는 전체 모니터링 지역의 일부 부분의 감지를 담당하고 있는 센서노드 자체가 오류를 일으키거나 동작을 하지 못할 경우에 대한 모니터링도 필요하다.Reliability has become an important requirement as sensor network technology is put into practical use. Reliability is the most important issue, especially when sensor network technology is applied to monitor emergency situations. The existing sensor network protocol only considers data transmission failure in terms of reliability. However, to ensure reliability, it is also necessary to monitor when the sensor node itself, which is responsible for the detection of a part of the entire monitoring area, fails or fails to operate.

전술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 주기적인 Sleep/Active 상태로 동작하는 저전력 통신방식 기반에서 노드간의 동기화를 통하여 매우 작은 네트워크 지연을 가지는 센서네트워크용 프로토콜을 제공하는데 그 목적이 있다. In order to solve the above problems of the prior art, the present invention is to provide a protocol for a sensor network having a very small network delay through the synchronization between nodes in the low power communication method operating in a periodic Sleep / Active state .

본 발명의 또 다른 목적은 주기적인 Sleep/Active 상태 동작에서 Active 구간의 idle listening 시간을 최소화함으로써 저전력 센서네트워크용 프로토콜을 제공하는 그 목적이 있다. It is another object of the present invention to provide a protocol for a low power sensor network by minimizing idle listening time in an active period in periodic sleep / active state operation.

본 발명의 다른 목적은 선형 구조를 가지는 통신 프로토콜을 새로이 제공하는 데 있다. Another object of the present invention is to provide a communication protocol having a linear structure.

본 발명의 또 다른 목적은 센서 네트워크 논리적 연결 구성 및 재구성에 관한 에너지 효율적 메커니즘을 제공하는 데 있다.It is yet another object of the present invention to provide an energy efficient mechanism for configuring and reconfiguring sensor network logical connections.

이하, 전술한 본 발명의 목적 및 기타 본 발명의 다른 목적과 이를 구현하기 위한 구성을 상세히 설명한다.Hereinafter, the object of the present invention described above and other objects of the present invention and the configuration for implementing the same will be described in detail.

상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따라 복수 개의 센서로부터 감지 데이터를 수집하고 취합하는 센서 네트워크의 네트워크 구성 방법에 있어서, 싱크 노드와 터미널 노드를 제외한 모든 센서 노드들은 자신의 상위노드와 하위노드를 각각 하나씩 가지게 되도록 각 노드의 통신 경로를 선형적으로 배치하는 단계와, 센서 네트워크에 포함되는 노드들은 자신의 상위노드의 동작 구간에 기초하여 자신의 시간 동기를 맞춤으로써 전체 네트워크의 시간 동기를 맞추는 단계를 포함 하는 센서 네트워크의 네트워크 구성 방법이 제공된다.In the network configuration method of a sensor network for collecting and collecting sensed data from a plurality of sensors according to the present invention for achieving the above technical problem, all the sensor nodes except the sink node and the terminal node has its own upper node and lower node Linearly arranging communication paths of each node so that each node has one, and nodes included in the sensor network synchronize their time based on the operation interval of their upper node to synchronize the time of the entire network. There is provided a network configuration method of a sensor network comprising a.

본 발명의 다른 특징에 따라, 복수 개의 센서로부터 감지 데이터를 수집하고 취합하며, 각 노드는 일련된 선형 구조의 통신 경로를 가지는 센서 네트워크의 데이터 전송 방법에 있어서, a) 센서 네트워크내 각 노드들이 자신의 상위노드의 동작 주기에 따라 자신의 동작 주기를 동기화하는 단계와, b) 센서 네트워크 내 임의의 노드가 자신의 수신 주기에 자신의 하위노드로부터 전송되는 데이터를 수신하는 단계와, c) 상기 임의의 노드가 상기 전송 데이터가 정상인지를 확인하는 단계와,d) 상기 데이터가 정상이면 상기 임의의 노드는 자신의 전송주기에 상기 데이터를 자신의 상위노드로 이를 전송하는 단계를 포함하는 데이터 전송 방법이 제공된다.According to another aspect of the present invention, the sensor data is collected and collected from a plurality of sensors, each node is a data transmission method of a sensor network having a serial linear communication path, a) each node in the sensor network Synchronizing its operation cycle according to the operation cycle of the upper node of b), b) any node in the sensor network receives data transmitted from its subnode in its reception cycle, c) said arbitrary A node of the node checks whether the transmission data is normal; and d) if the data is normal, transmitting the data to its higher node in its transmission period. This is provided.

본 발명의 또 다른 특징에 따라, 복수 개의 센서로부터 감지 데이터를 수집하고 취합하며, 각 노드는 일련된 선형 구조의 통신 경로를 가지는 센서 네트워크의 신규 노드 합류 방법에 있어서, 상기 선형 구조 센서 네트워크의 최 말단에 있는 터미널 노드가 주기적으로 자신의 존재를 알리는 안녕 메시지(hello message)를 방송하는 단계와, 상기 센서 네트워크에 신규로 합류하고자하는 하나 또는 그 이상의 센서 노드들이 자신에게 수신된 상기 안녕 메시지의 신호 상태로부터 링크 접속 품질도를 계산하는 단계와, 상기 링크 접속 품질도가 가장 높은 센서 노드가 선점 메시지를 방송하는 단계와, 상기 센서 노드가 상기 선점 메시지를 방송한 다음 전송 주기에, 상기 현재의 터미널 노드로 합류 메시지(join message)를 전송하는 단계와, 상기 센서 노드가 상기 합류 메시지에 대한 확인 메시지(ACK)를 받으면, 자신이 새로운 터미널 노드가 되었음을 광고하는 단계를 포함하는 센서 네트워크의 신규 노드 합류 방법이 제공된다.According to still another aspect of the present invention, in a novel node joining method of a sensor network in which sensor data is collected and collected from a plurality of sensors, each node having a serial linear communication path, A terminal node periodically broadcasting a hello message indicating its presence, and a signal of the hello message received by the one or more sensor nodes wishing to join the sensor network. Calculating a link connection quality diagram from a state, the sensor node having the highest link connection quality diagram broadcasting a preemption message, and the sensor terminal broadcasting the preemption message in a transmission period, the current terminal. Sending a join message to the node, wherein the sensor node is configured to send the join message to the node. Current receive a confirmation message (ACK) for a message, there is provided a method his new node joining the network of sensors, comprising advertising that the new terminal node.

본 발명의 다른 일 특징에 따라, 복수 개의 센서로부터 감지 데이터를 수집하고 취합하며, 각 노드는 일련된 선형 구조의 통신 경로를 가지며, 각 노드는 자신의 고유 네트워크 아이디를 보유하되 상위노드일 수록 그 아이디 값이 적게 구성된 센서 네트워크의 노드간 통신 경로 재배치 방법에 있어서, 자신의 상위노드로부터 전송을 하였으나, 그로부터 액크 신호를 받지 못한 임의의 노드가 수신 대기 상태로 전환하는 단계와, 상기 수신 대기 전환 노드가 자신의 인접 노드 중 자신과 아이디 값이 적으면서 그 차이가 가장 적은 노드에게 합류 메시지를 전송하는 단계와, 상기 수신 대기 전환 노드가 상기 합류 메시지에 대한 응답 메시지를 수신하면, 상기 응답 메시지를 전송한 노드를 자신의 상위노드로 설정하는 단계를 포함하는 센서 네트워크의 노드간 통신 경로 재배치 방법이 제공된다.According to another aspect of the invention, the sensor collects and collects the sensing data from a plurality of sensors, each node has a series of linear communication paths, each node has its own unique network ID, the higher the node A method for relocating communication paths between nodes in a sensor network configured to have a low ID value, the method comprising: transitioning an arbitrary node that has received a transmission signal from its parent node but has not received an acknowledgment signal to the node; Transmitting a join message to a node having the smallest ID and a smallest ID value among its neighbor nodes, and when the receiving switch node receives the response message for the join message, transmits the response message. Node in the sensor network, including setting a node as its parent The communications path relocation method is provided.

아울러, 전술한 본 발명의 특징에 따른 방법을 수행하는 센서 노드로서, In addition, as a sensor node for performing the method according to the features of the present invention described above,

긴급 데이터를 일시 저장하기 위한 높은 우선순위 버퍼와, 일반 데이터를 일시 저장하기 위한 낮은 우선순위 버퍼를 포함하고, 전송 패킷을 생성할 때, 상기 높은 우선순위 버퍼에 일시 저장된 상기 긴급 데이터를 먼저 포함하고, 상기 전송 패킷의 데이터 필드에 여분이 있을 경우 상기 낮은 우선순위 버퍼에 일시 저장된 일반 데이터를 상기 전송 패킷에 포함시키는 것인 센서 노드가 제공된다.A high priority buffer for temporarily storing emergency data, and a low priority buffer for temporarily storing general data, and first including the emergency data temporarily stored in the high priority buffer when generating a transport packet; When there is a redundancy in the data field of the transport packet, a sensor node is provided to include general data temporarily stored in the low priority buffer in the transport packet.

이하, 첨부도면을 참고하여 본 발명의 구성에 대하여 상세하게 설명한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described in detail with respect to the configuration of the present invention.

< 선형 구조를 가지는 실시간 무선 센서 네트워크 프로토콜 기술(R-WSLP)><Real-time wireless sensor network protocol technology with linear structure (R-WSLP)>

본 발명의 기본적 특징은 네트워크가 선형으로 구성된다는 것이다. 이하, 본 발명의 특징에 따른, 실시간 특징을 가지는 무선 센서 네트워크 프로토콜을 본 명세서에서 R-WSLP(Real time-Wireless Sensor Line Protocol)이라 칭한다.The basic feature of the present invention is that the network is linear. Hereinafter, a wireless sensor network protocol having a real-time feature according to a feature of the present invention is referred to herein as a Real time-Wireless Sensor Line Protocol (R-WSLP).

본 발명의 선형 구조를 가지는 실시간 무선 센서 네트워크 프로토콜 기술은 대규모 센서네트워크 응용환경에서 저전력과 매우 낮은 네트워크 지연을 모두 보장하기 위하여 창안된 것으로서 센서네트워크 응용분야에서 실시간으로 응급상황에 대한 보고가 필요한 응용을 위하여 개발되었다. 특히 산불 모니터링, 철도, 도로, 교각 등의 안전 모니터링, 국방, 특정지역, 건물 등의 보안시설 모니터링 등의 분야는 실시간성이 매우 중요한 분야로서 본 기술이 유효하게 적용될 수 있다. The real-time wireless sensor network protocol technology having a linear structure of the present invention was created to ensure both low power and very low network delay in a large sensor network application environment. Was developed for. In particular, forest fire monitoring, safety monitoring of railroads, roads, piers, etc., and security facilities monitoring of defense, specific areas, buildings, etc., are important fields of real time, and this technology can be effectively applied.

본 발명에 따르는 센서 네트워크 프로토콜은 분산 TDMA(Distributed TDMA) 기반 낮은 듀티 사이클 MAC알고리즘 및 시각동기화 포워딩 메카니즘(time synchronized forwarding mechanism)을 이용하여 실시간 감지 데이터 전송, 대규모 선형 감지 필드(large scale linear sensing field)에서의 효율적인 동작, 저전력 소비, 오버히어링 제거, 제어 패킷 오버헤드 최소화 등의 요구사항을 만족함으로서 에너지 소비를 최소화 하였으며 네트워크의 실시간성을 보장한다. 또한 기존의 통신 프로토콜이 가지는 계층 개념을 단순화하여 링크 계층, 네트워크 계층 및 수송 계층(transport layer)의 통합을 통하여 제어 오버헤드를 최소화한다. 또한 가상 센서 라인(virtual sensor line)을 자동적으로 구성하는 자기 조직(self-organization) 기능을 통하여 확장성을 제공한다.The sensor network protocol according to the present invention utilizes a distributed TDMA based low duty cycle MAC algorithm and a time synchronized forwarding mechanism to transmit real-time sensing data and a large scale linear sensing field. Energy consumption is minimized by satisfying requirements such as efficient operation, low power consumption, elimination of overhearing, and minimization of control packet overhead. In addition, by simplifying the layer concept of the existing communication protocol, the control overhead is minimized through the integration of the link layer, network layer and transport layer. It also provides scalability through a self-organization function that automatically configures a virtual sensor line.

< 분산 TDMA ><Distributed TDMA>

본 발명에 따르는 R-WSLP는 저전력을 위해서 낮은 듀티 사이클을 보장하면서 낮은 네트워크 지연을 가지도록 하기위해서 분산 TDMA기법을 사용한다. 분산 TDMA는 기존의 TDMA와 달리 네트워크에 있는 마스터노드가 모든 노드의 타임 슬롯(Time Slot)을 할당하는 방법을 사용하지 않고 각 노드는 자신의 상위노드를 기준으로 하여 자신의 Time Slot을 스스로 할당한다. The R-WSLP according to the present invention uses a distributed TDMA technique to ensure a low network delay while ensuring a low duty cycle for low power. Unlike conventional TDMA, distributed TDMA does not use a method in which a master node in a network allocates time slots of all nodes, and each node allocates its own time slot based on its parent. .

도 1은 분산 TDMA 기반하에서 선형적으로 배치된 각 노드간의 통신 흐름을 도시한 도면이다. 도 1에 도시되듯이, 각 노드는 활성구간(Active Period)과 비활성구간(Inactive Period)으로 나뉘게 되며, Active Period는 RX-TX-ACK의 순서로 데이터 수신, 데이터 송신, ACK 수신을 하게 된다. 송수신 하고자하는 노드간에는 시간동기를 통하여 송신노드의 TX와 수신노드의 RX가 동기가 되어 데이터를 송수신 하게 된다. 실제로 데이터의 송수신하고자 하는 두 노드간의 시간동기에 의하여 전체 네트워크의 시간 동기를 이루어진다. 즉, 네트워크의 모든 노드는 자신과 데이터를 주고받는 노드와의 시간동기를 통해서 분산적으로 전체 네트워크의 동기를 이루게 되며 이러한 동기를 기반으로 하여 노드간의 상호 충돌을 피하게 된다.1 is a diagram illustrating a communication flow between nodes arranged linearly on a distributed TDMA basis. As shown in FIG. 1, each node is divided into an active period and an inactive period, and the active period receives data, transmits data, and receives ACK in the order of RX-TX-ACK. Between the nodes to be transmitted and received, the TX of the transmitting node and the RX of the receiving node are synchronized with each other through time synchronization to transmit and receive data. In fact, the time synchronization of the entire network is achieved by the time synchronization between the two nodes to transmit and receive data. In other words, all nodes of the network are synchronized with the node that exchanges data with themselves, and the entire network is distributed in synchronization.

도 2는 본 발명에 따른 R-WSLP에서 네트워크내 동기가 이루어지는 방식을 도시한 도면이다. 2 is a diagram illustrating a manner in which network synchronization is performed in an R-WSLP according to the present invention.

전체 네트워크관점에서 본다면 네트워크 안에 노드들이 TDMA를 기반으로 서로간의 충돌을 피하면서 통신에 참여하는 CRP(Collision Resolution Period)와 네트워크가 사용하는 통신채널을 사용하지 않는 기간인 Inter-CRP가 존재하게 된다. R-WSLP에서는 노드들 간의 충돌을 회피하기 위하여 각 노드의 통달 거리(RF Range)를 기준으로 하여 통달 거리 안에 있는 노드들로 이루어진 서브네트워크에서의 ICRP는 반드시 CRP보다 크게 설정된다.From a network perspective, there is a CRP (Collision Resolution Period) in which nodes participate in communication while avoiding collisions based on TDMA, and Inter-CRP, which is a period of not using a communication channel used by the network. In R-WSLP, in order to avoid collision between nodes, the ICRP in the subnetwork composed of nodes within the communication distance based on the RF range of each node is set to be larger than the CRP.

TDMA통신을 위하여 각 노드는 자신의 상위노드와 시간동기(time synchronization)를 하게 된다. R-WSLP에서 시간동기의 정확성은 네트워크 지연 및 전력소비에 많은 영향을 준다. R-WSLP에서 사용하는 시간동기 기법은 상위노드가 보낸 패킷에 존재하는 SFD(Start of Frame Delimiter)를 이용하여 포획된 타임 스탬프(time stamp)를 기준으로 하여 주기적인 Wakeup을 담당하는 Timer_A를 설정하고 미리 정해진 시간 후에 Timer_A가 소멸되면 Timer_B를 이용하여 자신의 RX-Data, TX-Data, RX-Ack를 수행하게 된다. 각 노드는 RX-Ack 기간마다 SFD를 받게될 때마다 자신의 Timer_A를 재설정함으로서 시각이 편이(drift)되는 현상을 방지한다. 또한 지터(Jitter)에 의하여 시간 동기가 깨어지는 것을 방지하기 위하여 송수신시에 충분한 보호구간(Guard Time)을 주었다. 도 2는 두개의 타이머를 이용한 시간동기 방법을 보여주고 있다.For TDMA communication, each node performs time synchronization with its upper node. The accuracy of time synchronization in R-WSLP has a significant impact on network delay and power consumption. The time synchronization technique used in R-WSLP sets Timer_A which is responsible for periodic wake-up based on time stamp captured using the Start of Frame Delimiter (SFD) present in the packet sent by the upper node. If Timer_A disappears after a predetermined time, it performs its own RX-Data, TX-Data, and RX-Ack using Timer_B. Each node prevents the clock from shifting by resetting its Timer_A whenever it receives an SFD every RX-Ack period. In addition, a sufficient guard time is provided during transmission and reception to prevent the time synchronization from being broken by jitter. 2 shows a time synchronization method using two timers.

< 낮은 지연, 저전력 소비를 위한 시간 동기된 포워딩 메커니즘 ><Time Synchronized Forwarding Mechanism for Low Delay, Low Power Consumption>

본 발명의 특징 중 하나인 시간 동기된 포워딩 메커니즘은 앞에서 설명한 분산 TDMA를 기반으로 하여 저 지연, 저 전력 소비를 달성한다. 네트워크의 모든 노드는 싱크(sink) 노드의 정보를 기반으로 하여 분산 TDMA로 동작하게 된다. 즉 모든 노드는 싱크 노드와 같은 주기로 주기적인 sleep and wakeup을 반복한다. 이러한 주기는 데이터를 싱크 노드를 향하여 데이터를 포워딩하기 위하여 바로 상위노드와 시간 동기 된다. 도 3은 시간 동기된 포워딩 메커니즘의 기본 개념을 나타내고 있다.One of the features of the present invention is a time-synchronized forwarding mechanism that achieves low delay, low power consumption based on the distributed TDMA described above. All nodes in the network operate on distributed TDMA based on the information of sink nodes. That is, all nodes repeat the periodic sleep and wakeup at the same period as the sink node. This period is time-synchronized with the immediate node in order to forward the data towards the sink node. 3 illustrates the basic concept of a time synchronized forwarding mechanism.

Node 1은 자신의 상위노드인 싱크 노드와 시간 동기화를 수행하고 상위노드의 wakeup interval을 이용하여 자신의 wakeup 주기를 결정한다. Node 1의 다음노드인 Node 2는 Node 1에 시간 동기화를 수행하고 동일한 wakeup interval을 승계 받게 된다. 이후 노드들도 마찬가지로 자신의 상위노드에게 시간 동기화를 하고 동일한 Wakeup interval을 승계 받게 된다. 시간동기가 된 노드들은 RX-TX-ACK의 순서로 동작하게 된다. 그림에서 Node 2를 기준으로 Forwarding의 절차를 살펴보면 다음과 같다. Node 2는 자신의 RX주기 동안 Node 3으로부터 메시지를 받는다. 메시지를 받은 Node 2는 자신이 취득한 감지정보와 Node 3로부터 포워딩된 정보를 메세지에 포함 시켜 TX주기 동안에 Node 1노드에게 메시지를 포워딩하게 된다. 이 메시지를 받은 Node 1은 받은 메시지가 유용한지 FCS를 이용하여 체크하고 메시지가 정상적으로 받아졌으면 자신이 취득한 감지정보와 Node 2로부터 받아진 데이터를 이용하여 메시지를 만들어 Sink 노드에게 포워딩한다. 이때 Node 1은 자신의 메시지에 Node 2로부터 데이터를 제대로 받았다는 ACK 정보를 피기백(Piggyback)방식으로 포함시킨다. Node 2는 Node 1이 Sink 노드에게 보낸 메시지를 자신의 ACK주기 동안 듣게 된다. ACK주기동안 Node 1으로부터 받아진 메시지에 ACK 정보가 있다면 Node 2는 Node 1에게 메시지를 성공적으로 포워딩했다고 판단하여 전송오류시 재전송을 위해서 버퍼에 두었던 정보들을 지우게 된다. 이러한 시간 동기된 포워딩 메커니즘은 낮은 듀티 사이클의 환경에서 감지 노드로부터 수집된 정보가 싱크 노드에게 도달하는 지연을 크게 줄일 수 있다. Node 1 performs time synchronization with its sink node, which is its parent node, and determines its wakeup period using the wakeup interval of the parent node. Node 2, the next node of Node 1, performs time synchronization with Node 1 and inherits the same wakeup interval. Nodes will then time synchronize with their parent nodes as well and inherit the same wakeup interval. Time-synchronized nodes operate in the order of RX-TX-ACK. Looking at the forwarding procedure based on Node 2 in the figure, it is as follows. Node 2 receives a message from Node 3 during its RX cycle. The Node 2 receiving the message forwards the message to the Node 1 node during the TX cycle by including the acquired sensing information and the information forwarded from the Node 3 in the message. Node 1 receiving the message checks whether the received message is useful by using FCS. If the message is successfully received, Node 1 makes a message using the detected information and data received from Node 2 and forwards it to the Sink node. At this time, Node 1 includes ACK information indicating that it correctly received data from Node 2 in its message by piggyback method. Node 2 listens to the message sent by Node 1 to the Sink node during its ACK cycle. If there is ACK information in the message received from Node 1 during the ACK cycle, Node 2 determines that the message has been successfully forwarded to Node 1, and in the case of a transmission error, it deletes the information put in the buffer for retransmission. This time-synchronized forwarding mechanism can greatly reduce the delay in which information collected from the sense node reaches the sink node in a low duty cycle environment.

여기서 Node 3부터 Sink 노드까지의 네트워크 지연은 TRX_Node1+TRX_Node2+TRX_Node3+TRX_Sink 이다. 즉, R-WSLP에서의 네트워크 지연은 듀티 사이클에 관계없이 전송 홉(Hop)수와 RX하는데 걸리는 시간을 곱한 값이 된다.The network delay from Node 3 to Sink node is T RX_Node1 + T RX_Node2 + T RX_Node3 + T RX_Sink . That is, the network delay in R-WSLP is a value obtained by multiplying the number of transmission hops by the time taken to RX regardless of the duty cycle.

< 가상 선로 배치 메커니즘 ><Virtual track placement mechanism>

R-WSLP에서는 기본적으로 선형적인 토폴로지를 취한다. 선형 토폴로지(Linear Topology)는 싱크 노드와 터미널 노드를 제외하고 항상 자신의 상위노드(predecessor)와 하위노드(successor)를 하나씩 가지는 형태이다. 본 발명에 따라 이러한 선형 토폴로지를 효율적으로 구성하는 방법을 도 4와 함께 설명한다. 도 4는 가상 선로 배치에 대한 절차(virtual line arrangement mechanism)를 보여주고 있다.R-WSLP basically takes a linear topology. Linear topology has a form of having its own upper node and lower node, except for the sink node and the terminal node. A method of efficiently constructing such a linear topology according to the present invention will be described with reference to FIG. 4. 4 shows a virtual line arrangement mechanism.

전개된 무선 센서 노드들을 물리적인 위치와 일치되도록 가상 선로(virtual line)를 구성해야 한다. 즉 물리적으로 가까운 노드들이 가상 선로에서 자신의 상위노드(predecessor) 및 하위노드(successor)가 되어야 효율적인 토폴로지가 된다. 가상 선로에서 데이터를 취합하는 노드를 sink노드라 하고 선로의 최종 노드를 terminal node라고 했을 때, 최초에는 sink 노드가 terminal node가 되며, virtual line을 형성하면서 terminal node는 가장 최근에 네트워크에 합류된 노드가 될 것이다. Terminal node는 상위노드에게 주기적으로 Hello 메시지 또는 데이터를 보내면서 이 메시지를 이용하여 하위노드에게 자신이 terminal node임을 알린다. Terminal node의 주변에 여러 노드들이 존재 한다면 그 중 가장 물리적으로 가까운 노드부터 차례대로 join하여 virtual line이 물리적인 line과 가급적 일치되도록 하기위해서, 물리적인 거리를 측정하기 위한 방법으로 LQI(Link Quality Indication)를 이용한다. 새로 조인하고자 하는 노드들은 수신 상태로 대기하다가 현재 terminal node의 hello 메시지 또는 데이터 메시지를 듣게 되면 terminal node로부터 받은 메세지의 RSSI(Received Signal Strength Indicator)와 S/N비(Signal-to-noise ratio)를 이용하여 LQI를 얻게 된다. 노드들은 측정된 값을 기반으로 하여 LQI가 가장 좋은 노드가 주변 노드들에게 선점 메시지(preemption message)를 보냄으로서 합류(join)의 권한을 선점하게 된다. preemption message를 보낸 노드는 바로 다음 주기에 join message를 보내게 되며 이에 대한 ACK를 받게되면 자신을 새로운 terminal node임을 광고하게 된다. Preemption message를 받은 주변 노드들은 바로 다음 wakeup 주기에서는 join 시도가 제한된다. The deployed wireless sensor nodes must be configured with a virtual line to match their physical location. In other words, the physically close nodes become their upper and lower nodes in the virtual line to become an efficient topology. When a node collecting data on a virtual line is called a sink node and the last node of the line is called a terminal node, the sink node becomes a terminal node at first, and the terminal node is a node most recently joined to the network while forming a virtual line. Will be. The terminal node periodically sends a Hello message or data to the parent node and uses this message to inform the child node that it is a terminal node. If there are several nodes around the terminal node, Link Quality Indication (LQI) is a method for measuring the physical distance so that the virtual line can be matched with the physical line as much as possible by joining in order from the nearest physical node among them. Use When a new node wants to join, it listens to the hello or data message of the current terminal node, and then receives the RSSI (Received Signal Strength Indicator) and the S-N ratio of the message received from the terminal node. To obtain the LQI. Nodes preempt join authority by sending a preemption message to neighboring nodes with the best LQI based on the measured values. The node sending the preemption message sends a join message the next time, and when it receives an ACK, it advertises itself as a new terminal node. Peripheral nodes that receive a preemption message are restricted from join attempts in the next wakeup period.

네트워크에 조인하기를 원하는 새로운 노드들은 주변에 Terminal 노드가 있는지 탐색하기위하여 RX On 상태로 대기한다. 이러한 상태에서 터미널 노드의 메시지를 받게 되면 시간동기를 하고 LQI를 측정한다. 터미널로부터 메시지를 받은 노드들은 측정된 LQI를 기반으로 선점(Preemption) 메시지를 보낸다. 이러한 선점 메시지는 LQI값이 좋은 노드가 먼저 보내도록 조정되며 값이 유사한 노드들은 Random Backoff를 통해서 충돌을 피한다. 선점메시지를 받은 주변노드들은 다음 주기까지 조인절차를 연기하게 된다. 이러한 일련의 절차는 조인하고자하는 노드들 중에서 Terminal 노드와 LQI가 가장 양호하다고 판단되는 노드가 먼저 조인하도록 한다. 즉 이러한 절차를 통해서 Virtual Line Arrangement를 이루게 된다. 여기서 노드가 Preemption을 보낼 수 있는 구간의 시작이 T/2 이후로 제약되는 것은 Terminal Node의 상위노드들의 CRP 구간 이후에 메시지를 보냄으로서 충돌을 회피하기 위해서이다. New nodes that want to join the network wait in RX On state to search for nearby Terminal nodes. In this state, when the terminal node receives a message, it synchronizes time and measures the LQI. Nodes that receive a message from the terminal send a preemption message based on the measured LQI. These preemption messages are adjusted so that nodes with good LQI values are sent first, and nodes with similar values avoid collisions through random backoff. The neighboring nodes receiving the preemption message will postpone the joining procedure until the next cycle. This series of procedures allows the terminal node and the node whose LQI is determined to be the best among the nodes to join to join first. That is, the virtual line arrangement is achieved through this procedure. In this case, the start of the interval where the node can send preemption is limited after T / 2 in order to avoid collision by sending a message after the CRP interval of the upper nodes of the terminal node.

노드들은 최초 조인 시에 자신의 네트워크 ID를 자신의 상위노드의 네트워크 ID보다 하나 큰 값으로 설정하게 된다. 이 값은 네트워크가 Reset될 때까지 유지가 된다. Nodes set their network ID to one greater than their parent node's network ID upon initial join. This value will be maintained until the network is reset.

< 가상 선로 재배치 메커니즘 ><Virtual track relocation mechanism>

센서 네트워크의 자율복구(Self Healing)를 위한 가상 선로 재배치 메커니즘(Virtual Line Rearrangement Mechanism) 기능은 Virtual Line에서 싱크노드 방향으로 상위노드가 오동작을 하거나 통신이 되지 않을 경우 Virtual Line을 재구성하기 위해서 차 상위노드와 자율적으로 연결하는 방법을 사용한다. 그림 5는 Virtual Line Rearrangement Mechanism을 도식화 하고 있다. Virtual Line Rearrangement Mechanism for Self Healing of Sensor Network is used to reconfigure the Virtual Line to reconfigure the Virtual Line when the upper node malfunctions or does not communicate from the Virtual Line to the Sync Node. Autonomously connect with. Figure 5 illustrates the Virtual Line Rearrangement Mechanism.

노드 4에서 3번 이상 노드 3으로부터 ACK 메시지를 받지 못할 경우 노드4는 RX On 상태로 바뀌게 되고 Virtual Line Arrangement Mechanism과 유사한 절차로 상위노드에게 조인을 하게 된다. 이때 노드 3의 상위 노드인 노드 2가 자신의 하위 노드인 노드 3의 문제를 파악할 경우 스스로를 터미널 노드로 인식하고 hello 메시지를 방송하여 전술한 Virtual Line Arrangement Mechanism에 입각하여 경로를 재배치 할 수 있다. 또는 노드 2가 노드 3의 문제를 인식하지 못할 경우 노드 2가 hello 메시지를 방송하지 않을 것이므로, 노드 3의 문제를 인식한 노드 4가 상기 수신 대기 전환 노드가 자신의 인접 노드 중 자신과 아이디 값이 적으면서 그 차이가 가장 적은 노드, 즉 노드 2를 목적지로 하는 합류 메시지를 전송하고, 노드 2로 부터 상기 합류 메시지에 대한 응답 메시지를 수신하면, 노드 2를 자신의 상위노드로 설정하는 단계를 거쳐 재배치를 할 수 있다.If node 4 does not receive an ACK message from node 3 more than three times, node 4 is changed to RX On and joins the parent node in a similar procedure to Virtual Line Arrangement Mechanism. At this time, if node 2, which is the upper node of node 3, identifies a problem of node 3, which is its lower node, it may recognize itself as a terminal node and broadcast a hello message to reposition the path based on the aforementioned Virtual Line Arrangement Mechanism. Alternatively, if node 2 does not recognize the problem of node 3, node 2 will not broadcast the hello message, so that node 4, which has recognized the problem of node 3, has the same value as its own node and its ID value. When a small but small difference is transmitted, a join message destined for the node 2 is transmitted, and when a response message for the join message is received from the node 2, the node 2 is set as its parent. You can relocate.

노드 4는 인접노드로 인식된 노드들 중에서 자신보다 Network ID가 작으면서 ID의 차가 가장 적은 노드와의 연결을 시도하여 새로운 Virtual Line을 구성하게 된다. Rearrangement과정에는 Network ID의 변화는 존재하지 않는다. Node 4 attempts to connect to a node having a smaller network ID than the node among nodes recognized as adjacent nodes and having the smallest difference in ID to form a new virtual line. There is no change in Network ID during the rearrangement process.

< 고 신뢰성의 데이터 전송 ><High Reliability Data Transfer>

본 발명에 따른 R-WSLP에서는 신뢰성 있는 데이터 전송 및 네트워크의 신뢰성을 보장하기 위해서 피기백 확인 방법(Piggyback Acknowledgement Method)을 이용하여, 오류 발생노드 모니터링, 네트워크 자율복구(Self Healing)를 위한 가상 선로 재배치 메커니즘(Virtual Line Rearrangement Mechanism)의 기능을 제공한다. R-WSLP according to the present invention uses a piggyback acknowledgment method to ensure reliable data transmission and network reliability, virtual node relocation for error node monitoring, network self-healing It provides the function of the Virtual Line Rearrangement Mechanism.

먼저 Piggyback Acknowledgement Method는 싱크 방향으로 데이터를 보내는 메시지에 반대방향에 대한 ACK를 포함시켜서 보내게 된다. 즉 하나의 메시지를 보냄으로서 싱크방향으로는 데이터 메시지로서 역할을 하고 터미널 방향으로는 ACK 메시지로의 역할을 하게 함으로서 ACK를 위한 별도의 제어 메시지를 둘 필요가 없도록 하였다. 하위노드는 ACK를 제대로 받지 못했을 경우 다음주기에 재전송을 하게 된다. 또한 오류발생 노드의 모니터링을 위해서 자신과 연결되어 있던 하위노드로부터 다음주기에 메시지를 받지 못하면 오류노드의 Network ID를 이용하여 오류를 싱크노드에게 보고하게 된다. 서버는 오류가 발생한 노드에 대한 실시간 모니터링을 하게 되고 또한 이 정보는 데이터베이스에 저장되게 된다. First, the piggyback acknowledgment method is sent by including an ACK for the opposite direction in the message sending data in the sink direction. In other words, by sending one message, it acts as a data message in the sink direction and as an ACK message in the terminal direction, thereby eliminating the need for a separate control message for the ACK. If the lower node does not receive the ACK correctly, it will retransmit the next cycle. In addition, if a node does not receive a message in the next cycle from a subordinate node connected to itself for monitoring the node where an error occurred, an error is reported to the sink node by using the network ID of the node. The server monitors the failed node in real time and this information is stored in the database.

< 데이터 군집화 전송 ><Data Clustering Transfer>

본 발명에 따른 R-WSLP에서는 데이터 군집화(Data Aggregation)을 통한 전송 방법을 사용한다. 수 바이트의 센서데이터를 하나하나 패킷으로 보내는 방법은 패킷의 헤더에 의해서 발생하는 오버헤드는 물론 시스템에게 많은 컴퓨팅의 요구와 이를 처리하기 위하여 많은 프로세싱 시간을 요구하게 된다. 이러한 문제를 R-WSLP에서는 Data Aggregation의 방법을 이용하여 해결하였다. 도 6은 Data Aggregation을 위한 Packet 구조를 보여주고 있다. In the R-WSLP according to the present invention, a transmission method through data aggregation is used. The method of sending several bytes of sensor data one by one causes not only the overhead incurred by the header of the packet but also a lot of computing demands on the system and a large processing time in order to process the same. In R-WSLP, this problem was solved using data aggregation. 6 shows a packet structure for data aggregation.

R-WSLP 패킷에서 Payload는 Sub-payload의 집합으로 구성된다. Sub-payload는 데이터가 수집된 노드의 ID를 알리는 SourceID와 센싱 데이터의 타입을 지시하는 DataType 필드, 실제데이터를 싣기 위한 Data 필드로 구성된다. 특히 DataType 필드는 모니터링 및 컨트롤 패킷에 대한 지칭은 물론 응급데이터에 대한 구분, DataType 필드가 1Byte인지 2Byte인지에 대한 구분의 역할을 수행한다. Payload in R-WSLP packet consists of a set of sub-payload. Sub-payload is composed of a SourceID indicating the ID of the node from which data is collected, a DataType field indicating a type of sensing data, and a Data field for loading actual data. In particular, the DataType field serves as a reference for monitoring and control packets, as well as for emergency data, and whether a DataType field is 1 byte or 2 bytes.

< Packet Priority를 통한 응급데이터 우선전송 정책 ><Emergency Data Priority Transmission Policy through Packet Priority>

본 발명의 R-WSLP는 낮은 데이터 트래픽이 발생하는 환경을 위해서 설계되었다. 그러나 특수한 상황에서는 순간적으로 많은 양의 네트워크 트래픽이 발생하는 상황이 발생할 수 있다. 이러한 상황에서 응급데이터의 우선 전송을 보장하기 위해서 데이터에 Priority를 줄 수 있도록 하였다. The R-WSLP of the present invention is designed for an environment in which low data traffic occurs. However, under special circumstances, a large amount of network traffic may occur instantaneously. In this situation, priority can be given to the data to guarantee the priority transmission of emergency data.

각 센서노드는 High Priority Buffer와 Low Priority Buffer 두개의 링 버퍼를 가지고 있으면서 하위노드로부터 받아진 데이터나 자신의 센서로부터 획득한 데이터를 우선순위에 따라서 데이터에 Data Type 필드에 표시를 하고 해당하는 우선순위의 버퍼에 기록한다. 데이터의 전송을 위해서 해당 주기의 Payload에 보낼 수 있는 MTU(Maximum Transmission Unit) 크기 안에서 High Priority Buffer로부터 Sub-payload를 먼저 가져오고 나머지 공간에 Low Priority를 가지는 Sub-Payload를 실어서 전송하게 된다. Each sensor node has two ring buffers, High Priority Buffer and Low Priority Buffer, and the data received from the lower node or the data obtained from its own sensor is marked in the Data Type field according to the priority and the corresponding priority. Write to the buffer. For data transmission, the sub-payload is first taken from the high priority buffer within the MTU (Maximum Transmission Unit) size that can be sent to the payload of the corresponding period, and the sub-payload having the low priority is loaded in the remaining space.

이상 첨부도면을 참조하며 본 발명의 구성에 대하여 상세히 설명하였으나 본 발명의 범위가 이에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술 분야에 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 사상을 벗어나지 않는 범위에서 다양한 변형과 변경이 가능할 것이다. 따라서 본 발명의 보호 범위는 이하의 특허청구범위의 기재에 의하여 정하여 진다.Although the configuration of the present invention has been described in detail with reference to the accompanying drawings, the scope of the present invention is not limited thereto, and a person skilled in the art may have various modifications without departing from the spirit of the present invention. And changes will be possible. Therefore, the protection scope of this invention is defined by description of the following claims.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면 센서 네트워크의 각 노드들의 전력 소비를 저감시키면서도 낮은 전송 지연으로 데이터를 신뢰성있게 전송할 수 있으며, 신속한 처리를 요하는 긴급 데이터의 전송도 처리 가능한 실시간 센서 네트워크를 구현할 수 있다. As described above, according to the present invention, it is possible to reliably transmit data with low transmission delay while reducing power consumption of each node of the sensor network, and to implement a real-time sensor network capable of processing emergency data that requires rapid processing. have.

Claims (11)

복수 개의 센서로부터 감지 데이터를 수집하고 취합하는 센서 네트워크의 네트워크 구성 방법에 있어서, In the network configuration method of a sensor network for collecting and collecting sensed data from a plurality of sensors, 싱크 노드와 터미널 노드를 제외한 모든 센서 노드들은 자신의 상위노드와 하위노드를 각각 하나씩 가지게 되도록 각 노드의 통신 경로를 선형적으로 배치하는 단계와,Linearly arranging communication paths of each node such that all sensor nodes except the sink node and the terminal node have their own parent node and one child node; 센서 네트워크에 포함되는 노드들은 자신의 상위노드의 동작 구간에 기초하여 자신의 시간 동기를 맞춤으로써 전체 네트워크의 시간 동기를 맞추는 단계Nodes included in the sensor network adjust the time synchronization of the entire network based on their time synchronization based on the operation interval of their parent node 를 포함하는 센서 네트워크의 네트워크 구성 방법.Network configuration method of the sensor network comprising a. 제1항에 있어서, The method of claim 1, a) 상기 시간 동기를 맞추는 단계는 최상위 싱크 노드의 수신 구간에 맞추어 바로 아래 하위노드의 송신 구간이 동기화됨으로써 두 노드간의 동기를 맞추는 단계와,a) synchronizing the time, synchronizing the two nodes by synchronizing the transmission interval of the lower node immediately following the reception interval of the highest sync node; b) 상기 바로 아래 하위노드에 의하여 그 아래의 하위노드가 동기 되는 단계와,b) synchronizing the subnode below it by the subnode immediately below it; c) 상기 b) 단계를 반복하여 전체 네트워크의 시간 동기가 이루어지는 단계c) repeating step b) to achieve time synchronization of the entire network 를 포함하는 것인 네트워크 구성 방법.Network configuration method comprising a. 제1항에 있어서, The method of claim 1, 각 노드들은 시분할 접속 방식으로 송수신 시간을 할당받는 것인 네트워크 구성 방법.Wherein each node is allocated a transmit / receive time in a time division access manner. 복수 개의 센서로부터 감지 데이터를 수집하고 취합하며, 각 노드는 일련된 선형 구조의 통신 경로를 가지는 센서 네트워크의 데이터 전송 방법에 있어서,In the data transmission method of the sensor network collecting and collecting sensed data from a plurality of sensors, each node having a serial linear communication path, a) 센서 네트워크내 각 노드들이 자신의 상위노드의 동작 주기에 따라 자신의 동작 주기를 동기화하는 단계와,a) each node in the sensor network synchronizes its operation cycle according to its parent node's operation cycle, b) 센서 네트워크 내 임의의 노드가 자신의 수신 주기에 자신의 하위노드로부터 전송되는 데이터를 수신하는 단계와, b) any node in the sensor network receiving data transmitted from its subnodes in its reception period, c) 상기 임의의 노드가 상기 전송 데이터가 정상인지를 확인하는 단계와,c) the arbitrary node checking whether the transmission data is normal; d) 상기 데이터가 정상이면 상기 임의의 노드는 자신의 전송주기에 상기 데이터를 자신의 상위노드로 이를 전송하는 단계d) if the data is normal, any node transmits the data to its parent node in its transmission period 를 포함하는 데이터 전송 방법.Data transmission method comprising a. 제4항에 있어서, 상기 d) 단계는 The method of claim 4, wherein step d) 상기 하위노드로부터의 데이터 및/또는 상기 임의의 노드가 자신이 감지한 데이터를 포함하는 전송 패킷을 생성하는 단계와,Generating a transport packet comprising data from the subnode and / or data detected by the node; 상기 전송 패킷에 ACK 신호를 삽입하는 단계와, Inserting an ACK signal into the transport packet; 상기 전송 패킷을 상기 상위노드 및 상기 하위노드에 동시에 전송하는 단계Simultaneously transmitting the transport packet to the upper node and the lower node 를 포함하는 데이터 전송 방법.Data transmission method comprising a. 제5항에 있어서,The method of claim 5, 센서 네트워크내의 임의의 노드는 자신의 상위노드로부터 상기 전송 패킷을 수신하지 못하면 다음 전송 주기에 재전송을 하고, 상기 전송 패킷을 수신하면 자신의 상위노드로의 전송이 완료된 것으로 판단하고 자신의 버퍼내 데이터를 소거하는 것인 데이터 전송 방법.If any node in the sensor network does not receive the transport packet from its parent node, it retransmits it in the next transmission cycle.If the node receives the transport packet, it determines that the transmission to its parent node is completed and the data in its buffer Canceling the data transmission method. 제5항에 있어서,The method of claim 5, 상기 전송 패킷은 데이터를 감지한 노드의 식별자와, 데이터의 유형을 나타내는 데이터 유형 식별자와, 감지된 데이터를 포함하는 것인 데이터 전송 방법.The transport packet includes an identifier of a node that senses data, a data type identifier indicating a type of data, and sensed data. 복수 개의 센서로부터 감지 데이터를 수집하고 취합하며, 각 노드는 일련된 선형 구조의 통신 경로를 가지는 센서 네트워크의 신규 노드 합류 방법에 있어서,In the new node joining method of the sensor network collecting and collecting sensed data from a plurality of sensors, each node having a serial linear communication path, 상기 선형 구조 센서 네트워크의 최 말단에 있는 터미널 노드가 주기적으로 자신의 존재를 알리는 안녕 메시지(hello message)를 방송하는 단계와,A terminal node at the end of the linear structure sensor network periodically broadcasting a hello message indicating its presence; 상기 센서 네트워크에 신규로 합류하고자하는 하나 또는 그 이상의 센서 노드들이 자신에게 수신된 상기 안녕 메시지의 신호 상태로부터 링크 접속 품질도를 계산하는 단계와, Calculating, by one or more sensor nodes intending to join the sensor network, a link connection quality diagram from the signal state of the hello message received to the sensor network; 상기 링크 접속 품질도가 가장 높은 센서 노드가 선점 메시지를 방송하는 단 계와, A step in which the sensor node having the highest link connection quality broadcasts a preemption message; 상기 센서 노드가 상기 선점 메시지를 방송한 다음 전송 주기에, 상기 현재의 터미널 노드로 합류 메시지(join message)를 전송하는 단계와,Transmitting, by the sensor node, a join message to the current terminal node in a transmission period after the preemption message is broadcast; 상기 센서 노드가 상기 합류 메시지에 대한 확인 메시지(ACK)를 받으면, 자신이 새로운 터미널 노드가 되었음을 광고하는 단계When the sensor node receives an acknowledgment message (ACK) for the joining message, advertising that it has become a new terminal node. 를 포함하는 센서 네트워크의 신규 노드 합류 방법.Joining a new node of the sensor network comprising a. 제8항에 있어서, 상기 선점 메시지를 방송하는 단계는,The method of claim 8, wherein the broadcasting of the preemption message comprises: 상기 계산된 링크 접속 품질도가 높은 센서 노드일수록 선점 메시지를 더 빠른 시점에서 방송하는 단계와,Broadcasting the preemption message at a faster time point as the sensor node having a higher degree of the calculated link connection quality; 상기 선점 메시지를 받음에 따라 주변 노드들이 신규 합류를 연기하는 단계를 포함하는 것인 센서 네트워크의 신규 노드 합류 방법.And deferring new joins by neighboring nodes upon receiving the preemption message. 복수 개의 센서로부터 감지 데이터를 수집하고 취합하며, 각 노드는 일련된 선형 구조의 통신 경로를 가지며, 각 노드는 자신의 고유 네트워크 아이디를 보유하되 상위노드일 수록 그 아이디 값이 적게 구성된 센서 네트워크의 노드간 통신 경로 재배치 방법에 있어서,Collecting and collecting sensed data from multiple sensors, each node has a series of linear communication paths, and each node has its own unique network ID, but the node of the sensor network whose parent node has less ID value In a method for relocating communication paths, 자신의 상위노드로부터 전송을 하였으나, 그로부터 액크 신호를 받지 못한 임의의 노드가 수신 대기 상태로 전환하는 단계와,Transitioning to a standby state by an arbitrary node that transmits from its parent node but does not receive an acknowledgment signal from it; 상기 수신 대기 전환 노드가 자신의 인접 노드 중 자신과 아이디 값이 적으 면서 그 차이가 가장 적은 노드에게 합류 메시지를 전송하는 단계와,Transmitting, by the reception switching node, a joining message to a node having a smallest difference between itself and an ID value among neighboring nodes; 상기 수신 대기 전환 노드가 상기 합류 메시지에 대한 응답 메시지를 수신하면, 상기 응답 메시지를 전송한 노드를 자신의 상위노드로 설정하는 단계When the receiving standby switching node receives the response message for the joining message, setting the node that sent the response message as its parent node; 를 포함하는 센서 네트워크의 노드간 통신 경로 재배치 방법.Node-to-node communication path relocation method of the sensor network comprising a. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 기재된 방법을 수행하는 센서 노드로서, A sensor node for performing the method of any one of claims 1 to 10, 긴급 데이터를 일시 저장하기 위한 높은 우선순위 버퍼와, A high priority buffer for temporarily storing emergency data, 일반 데이터를 일시 저장하기 위한 낮은 우선순위 버퍼를 포함하고,Includes a low priority buffer to temporarily store regular data, 전송 패킷을 생성할 때, 상기 높은 우선순위 버퍼에 일시 저장된 상기 긴급 데이터를 먼저 포함하고, 상기 전송 패킷의 데이터 필드에 여분이 있을 경우 상기 낮은 우선순위 버퍼에 일시 저장된 일반 데이터를 상기 전송 패킷에 포함시키는 것인 센서 노드.When generating a transport packet, the emergency data temporarily stored in the high priority buffer is first included, and when the data field of the transport packet is redundant, general data temporarily stored in the low priority buffer is included in the transport packet. Sensor node.
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